一节物理学史拓展课引发的思考

众所周知，美国是在物理教学与物理学史相结合方面做得较早也是做得较好的国家之一.上世纪50年代末，克洛尔夫（L.E.KLopfer）在对中学生的教育中引进了“科学事例的历史”，从60年代起，科学技术的迅速发展促使美国掀起了课程改造运动，向传统教学发起了挑战.课程改造运动强调让学生参与知识的获得过程，强调创造性教育的必要性.课程改造运动与现代教学论的研究相辅相成，在这期间，哈佛的卢福（F.J.Rutherford）、霍尔顿（G.HoLton）和沃森（F.G.Watson）组织编写了《中学物理教程》，其中结合了相当数量的史料.1980年，美国物理学史分会的成立，极大地促进了物理学史的研究和物理学史与物理教学的结合.另外较早注意到科技史教育作用的还有苏联、英国等国家.近几年来我国物理学史、物理教育工作者，还有少数物理研究工作者，在物理学史引入物理教学方面也作了大量的研究工作.首都师范大学的申先甲等认为引用物理学史料可以帮助学生理解和掌握物理学知识，使其认识物理学知识的相对性、动态性和了解物理学基本观念的变革.

但是，总的说来，我国的物理学史和物理教育相结合的研究起步较晚，与国外同类研究相比还存在一定的差距.我国广大物理学史和物理教育工作者虽然在一定程度上认识到了物理学史的教育价值，大都赞同物理学史与物理教学相结合，但是理论研究基础薄弱，许多看法来源于经验体会，缺乏广泛的调查分析和理论上的论证.关于物理学史的引入大多还停留在“渗透”的阶段，对物理学史引入中学物理教学的作用缺乏具体实证性研究.

在传统的物理教学中，多数教师在物理学史教学方面采取简化处理的方式.简化处理会使科学探究过程消失，仅剩下物理学家的名字、事迹以及相关理论.笔者曾经对太原市一所中学“原子核结构模型”教学的实施状况做过考察，发现尽管教材中科学探究过程描述得非常详细，但教师的教学处理非常简单.有的教师把这些内容全部让学生阅读，只讲几位科学家提出的观点，有的教师只是在讲解知识的基础上在一个表格里列出物理学家的名字、理论提出的年代和主要观点让学生对原子结构理论的发展有一个大致理解，至于物理学家提出理论的背景、过程和方法都不在课堂上展开.被调查的教师都认为这一节知识点少，依靠学生阅读就可以，没有一个教师按照教材中知识的呈现顺序将物理学史作为教学设计与实施的线索展开教学.这说明由于长期受单纯注重知识传授观念的影响，教师对教材中大量融入物理学史的做法并不理解，他们在教学时简化的往往是科学探究过程中的重要因素，使得物理学史的文化内涵大大减弱.

通过这样的调查，笔者发现，虽然教师普遍对物理学史在物理教学中的重要性有很大程度的忽视，但由于种种原因，物理学史在培养学生科学素养方面是非常重要的，在新课程实施过程中还要充分发挥物理学史的文化教育价值.在太原市另一所中学的一节物理学史拓展课“牛顿第一定律的发现”上，笔者找到了答案，真正感受到了物理学史教学的魅力.以下是这节课的课堂实录和笔者的思考.

1课堂实录及点评

[用PPT展示亚里士多德、伽利略、牛顿等科学家]大家看照片，亚里士多德、伽利略、牛顿，这就是我们这节课要介绍的主人公，世界上不知道这三个人的人恐怕很少，因为他们对科学的发展做出了巨大的贡献，同学们都或多或少地知道一些他们的情况.现在请大家说说自己对亚里士多德的印象.

学生：他的观点是错的.

我们来看看伽利略是如何评价亚里士多德的.伽利略曾说：“老实说，我赞成看亚里士多德的著作，并精心进行研究，我只是责备那些把自己完全沦为亚里士多德奴隶的人.”从这句话可以看出伽利略对亚里士多德是如何评价呢？

学生：赞成看他的著作.

伽利略并没有鄙视亚里士多德，反而赞成看亚里士多德的著作.据历史记载，伽利略有段时间曾在大学里教书，讲授的正是亚里士多德著作中的内容，伽利略用“精心”形容自己的研究.在前面的学习中，大家有没有体验过伽利略的精心之处呢？

学生：自由落体研究，亚里士多德太主观，伽利略利用实验研究，数学推理……

亚里士多德的著作记载着这样一个结论：有力才有运动，力撤去运动就停止.（PPT展示“力是维持物体运动的原因”.）关于力和运动的关系，伽利略又展开一次“精心”的研究，等会儿让我们一起用我们的眼睛来观察伽利略究竟“精心”在哪里？

亚里士多德真的错了吗？我们不妨来演示一下生活中一个常见的现象：手表（有金属表链的手表）原来静止在桌面上，手一推，手表运动起来.（教师用手扶着，边推手表边解释.手一放开，手表慢慢停止运动.老师演示的时候，力稍微大些，让手表运动一段再停，用手在桌边接住！）

手表原来静止，当我用力推时，手表运动；手松开后，手表停止运动；亚里士多德的结论没错呀，手表受到力的作用时运动，撤去力后手表静止.（PPT展示一些生活现象）生活中类似于刚才的演示实验的现象很多，长期以来，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推或拉.推拉停止，物体也就停止运动.距今2000多年以前，亚里士多德观察到生活中这些现象时，他凭直觉就得出，力是维持物体运动的原因，意思就是：有力才有运动，撤去力运动即停止；从刚才的演示我们也看到似乎有力才有运动，撤去力运动随即也就停止了.（PPT展示亚里士多德的结论.）

学生：手表运动了一段时间才静止的.

观察得很仔细.（跟当年的伽利略一样观察得很细致），手松开后，手表没有马上停下来.当初伽利略恰恰注意到了“那一段”，他认为如果撤去力，物体就停止运动，那么为什么有些物体会运动一段时间才停下来呢？他最早悟出了地球上物体运动时，都不可避免要受到摩擦力和空气阻力作用.他认为，物体之所以停下来是因为受到摩擦力的作用，物体停下来恰恰是因为力的作用，所以力不是用于维持运动，恰恰相反，这里的摩擦力却是物体产生减速的原因.

伽利略的精心研究表现在：观察认真.细微，微小变化的现象也观察到了.（PPT展示伽利略得出的一半结论）

到此，伽利略已经找到，导致物体运动停止的原因是由于摩擦力的作用，但他没有停留在这里，而是继续想象，如果没有摩擦力，那么物体会怎么运动呢？

学生：静止或匀速直线运动.

学情分析很多高一的学生看不起亚里士多德，甚至鄙视他.这位老师的设计意图：借着伽利略对亚里士多德的评价与学生对亚里士多德评价的冲突引出本节课讨论的范围；通过简单的演示实验引出本节课要讨论的确切问题，开始伽利略精心设计的研究过程.澄清学生对亚里士多德的误会，引导他们如何正确对待前人及其研究结论.

这个结论我们已经学过，但当年他是如何得出这个结论的呢？

学生：斜面，对接斜面.

我们一起来回顾一下，大家初中学过的伽利略理想实验——对接斜面（展示Flash），伽利略是怎样推理的？

（1）让一个小球从一个斜面的顶端滚下，紧接着又滚上另一个对接的斜面，同一个斜面，打磨得越光滑，小球上升的高度越接近原来的高度；故设想如果没有摩擦力，这个小球将达到跟原来同样的高度；摩擦力F=0的实验没有条件做，伽利略依据事实基础，进行了合理的外推.

（2）如果减小对接斜面的倾角，小球仍会达到统一高度，通过的路程呢？（需要经过更长的路程.）

（3）同理，如果再减小对接斜面的倾斜度，小球经过的路程就会越来越长.

（4）如果把对接斜面变成水平面，小球无法达到原来的高度，只能以原速度一直运动下去（无加速也无减速原因）.（3和4利用合理外推思想）

（板书，提炼伽利略的研究方法.）

伽利略利用这个斜面实验成功地得到力不是维持物体运动的原因，推翻了已经被人们接受了2000多年的亚里士多德的错误结论.我们知道伽利略这个实验是个理想实验，并非真实的实验（因为在地球上不能达到完全没有摩擦的条件），这是伽利略用自己的大脑想象出来的，（语气加强，转话锋）任何想象都离不开现实，绝不能凭空想象，那么大家知道伽利略当时依据的是什么现实呢？

学生：……

伽利略17岁那年，当时他还在医学院读书时，有一次在教堂做礼拜，风吹进教堂，导致教堂内的吊灯摆动，他回去就立即做了个实验，（演示伽利略针和单摆实验）这是一个简单的摆球，一端固定，将摆球拉向一边，由静止释放小球，摆球会摆动到另一边，用水平尺子标记其高度.大家知道伽利略从这个实验得到多个结论，那就是摆球运动到右边时，能达到同高度的位置吗？（演示：摆球拉到左边，与尺子同高度的地方，静止释放小球）小球运动到右边等高的地方吗？（摆动两次后，教师顺手抓住小球.）

接着，伽利略在悬挂小球悬点的正下方，固定一根针，当球往右边摆动时，碰到针，他还会摆到相同的高度吗？（教师演示，学生观察并回答）

当时伽利略用一根针多次改变小球的悬点，重复实验.在当时的测量条件下，伽利略得出的结论是：摆球能上升到原来的高度.

（演示过程与学生共同得出结论，培养学生实验观察与归纳能力.）

下面我们用Flash慢放展示一下刚才的实验，在一定点O悬挂一单摆，在O的正下方O1用钉子改变单摆的运动路线，将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧A点，释放小球，小球将摆到竖直位置的右侧与A点等高的B点；保持释放点A的位置不变，提高针的位置至O2，小球运动到右边等高的C点，针位置继续升高，至O点，小球运动到右边D点.A、B、C、D四点等高，除了这个结论外，大家比较这三次运动，还看出什么规律？

学生：针的位置越高，摆球运动轨迹越长，运动越远.

认真观察，摆球的运动轨迹AB、AC、AD，对大家有什么启发？这个轨迹跟哪个实验类似呢？

学生：哦，那个斜面实验.（PPT展示斜面实验示意图与摆球轨迹的比较），伽利略的想象实验灵感来源于此.

他将这个现象与斜面运动联系在一起.伽利略指出，对于斜面会得出同样的结论.（PPT展示伽利略的结论）

伽利略设计的实验虽是想象中的，但却是建立在可靠的事实基础上.把研究的事物理想化，就可以更加突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律.理想实验是一种重要的物理方法，以事实为依据，将实验和逻辑推理统一.伽利略的这一自然科学新方法，有力地促进了物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”.

理想化模型对科学研究仍然具有重要的意义.与伽利略同时代的法国科学家笛卡儿，把伽利略的结论推广到没有重力、没有摩擦力、没有空气阻力的更理想的情况，进一步补充和完善了伽利略的观点，指出：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向.（PPT展示笛卡尔图片及其结论）

学情分析学生早已熟悉伽利略的理想斜面，但对于力与运动关系的研究过程不清楚.设计意图：借着研究历史的重演，带着学生与科学家进行对话，重点体验伽利略的研究过程的精彩之处，引导学生感悟其研究方法.此时教师的引导作用十分重要，做不好的话，就变成很无味的陈述，需要巧妙地引导学生回归物理学发展历史，亲自参与整个过程的研究.

1.1牛顿第一定律

依据伽利略和笛卡尔的研究结果，同学们能用自己的语言概括一下两位科学家的结论吗？（使学生感受到很难用简单的语言概括，此时引入牛顿的结论）

伽利略和笛卡尔等人的正确结论在隔了一代人之后，由牛顿用简洁而准确的语言总结出该定律.

（PPT展示牛顿第一定律）一切物体总保持匀速直线运动或静止，直到有外力迫使它改变这种状态为止.

用通俗的语言来说就是，如果物体所受外力为零，那么原来静止的保持静止；原来运动的，将一直匀速运动下去，直到加入外力；另一方面，外力加进来后，就改变了原来的运动状态（速度的大小或方向发生变化）.牛顿的结论是否比前人更深刻、更丰富呢？（PPT展示“意义”）我们一起来看一下，后半句指出力是改变运动状态的原因，这是重述前人的结论，同时也指出了物体不受力时的运动规律，补充说明一下，完全不受力的物体在地球上存在吗？不存在，所以不受力指的是所受合外力为零.回过来，前半句：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，指出了一切物体都具有的性质——惯性.（PPT展示惯性，教师解释惯性的概念）惯性：是物体抵制运动状态改变的固有倾向，就是不想改变原来的状态，故与人的惰性是非常类似的.也就是说，若原来静止的，就不想动；原来若以某一个速度运动，就趋于保持这一速度运动.

仔细分析前后两句话，点出了两个概念——力和惯性，这两个概念是什么关系呢？

学生：……

惯性：总企图保持原来运动状态；力：一参与就要改变运动状态.二者是对立的，但又统一在牛顿第一定律里面，对立统一关系.

学情预设估计此时学生对牛顿第一定律的体会不深刻，所以借着解读牛顿第一定律所包含的两个概念，一方面让学生了解定律的内容，另一方面引导学生欣赏牛顿的高明之处.

1.2惯性

让我们来完整地认识一下惯性.惯性，解释为惯性或惰性.惯性是物体抵制运动状态改变的固有倾向.

一切物体都有惯性，对我们来说是利还是弊呢？（分别展示相扑运动员与小孩的照片，要求学生想象这个小孩冲向相扑运动员，后果会是如何？学生回答后，把大家的想象模拟一下——展示小孩撞一个胖人的影片.）.胖人原来是静止的，后来还是，他的运动状态不容易改变；小孩原来向前运动，后来向后摔倒，运动状态容易改变.胖人的运动状态不容易改变意味着什么呢？

保持原来的运动状态本领大，也就是惯性大；所以不同物体惯性大小是不一样的.那么惯性大小究竟由什么因素决定呢？请大家带着这个问题，看一组图片.（PPT展示体操运动员与相扑运动员.）

当你看到体操队员时，要求你用几个词来形容她，你会用什么词？相扑运动员呢？

学生：苗条，灵活……

依你们判断，体操运动员的身躯能否当相扑运动员？

学生：不可以.

为什么不可以？

学生：太苗条，不够重……

为何相扑运动员都需要很胖？这其中有什么物理道理呢？

学生：……

相扑运动员如果苗条的话容易被搬倒，也就是原来静止的状态容易被改变（由静变动），即物体惯性小.相扑运动员需要有很大的惯性，运动状态才不容易被改变.那么惯性大小跟什么因素有关呢？

学生：重量，质量……

（用月球上的例子排除重量的影响因素，从而得出结论）惯性大小用质量来度量，质量越大，惯性越大；质量越小，惯性越小.所以体操运动员为了能够有灵活的动作表现，质量就要小，需要苗条；而相扑运动员则不希望被别人摔倒，质量就要大……

1.3惯性的应用与防止

首先请同学们讲一些关于惯性印象深刻的经历.下面给大家播放一段刹车模拟录像，大家看的同时思考影片中包含了哪些物理现象？刹车时存在哪些安全隐患？并提出你的意见来防止这些隐患.

学生观看并提问.（教师边引导边播放相应的PPT）

安全带：当汽车急剧减速时，前座安全带将人紧紧限制在座位上，不至于发生危险.

头靠：避免撞车时的鞭打效应（颈部的剧烈运动）.

气囊：车辆发生碰撞，人会前倾；气囊在碰撞时释放并充气，减小对人的冲击力.

1.4课堂小结

今天这节课，我们花了很多时间跟大家一起回忆牛顿第一定律研究的历史，读历史的目的是使人明智，从中看到经验，我们共同经历了伽利略的“观察-实际实验-理想实验-合理外推”的研究方法；牛顿第一定律的内容及其意义，惯性（惰性），质量是惯性的量度，惯性的应用及其防止.

2对物理学史教育的思考

2.1物理学史中有丰富的物理文化教育资源，物理学家就是物理文化的代表

从整节课堂进程来看，以伽利略的科学探究过程为线索，向学生展示伽利略在质疑-实验设计-理想实验-合理外推中的艰难与曲折，对学生进行了科学方法、科学精神教育，揭示了科学研究中求真、理性、怀疑、实证、精确、继承、合作、求善臻美等特征，促进了学生对物理学本质和物理文化的理解，并且自然地与价值观教育融合在一起，这是一节成功的物理学史拓展课，让我们真正感受到了物理学史的文化内涵.作为历史上著名的一位物理学家，伽利略的研究过程就是对物理文化的生动阐释，学生通过对物理学家的了解，能够充分感受到物理学家的人格魅力和文化品性，因此，物理学家就成为学生的文化榜样.

2.2要理解物理文化必须让学生真正进入物理历史场域

笔者也曾听过几节设计物理学史内容的课，但感觉不到这种震撼，也没有这节课中热烈的互动，教师虽然也在展示科学历史过程，但大多数学生只是作为一个旁听者听着有趣的故事.正像问卷调查显示的那样，物理历史内容并没有受到足够的重视，物理学史的文化建构功能远没得到发挥.而这一节课学生不仅是物理学历史过程中的听众，而且是作为一个思考者真正“进入”到物理学家的研究过程中，进入了物理历史场域.通过听这节课，笔者深深感到：只有学生真正“进入”到物理历史场域，才能与科学家进行跨时空的对话，才能设身处地理解物理学家的所想、所做，物理历史场域中的特定价值追求、规范和思维与行为方式才能真正触及学生的内心深处.

从这节课的组织过程看，科学探究背景、物理学家实验设计、科学研究详细过程的介绍，以及让学生充分发表自己的观点和感想的教学方式、精彩的多媒体手段都是帮助学生进入历史场域的有效手段.介绍科学研究的背景，能帮助学生从当时的社会、科学、技术发展出发历史地看待物理学家的研究，实验设施的展示能让学生感受到历史的真实性，而展示科学研究的详细过程（包括科学家的想法、感受、遇到的关键事件）使学生能感受到“作为一个人”的物理学家的存在.在教学中让学生发表自己的观点和感想，形成互动，则是提供了学生和“历史上的物理学家”、“同伴”对话的机会.以视频为主的多媒体技术运用更是把历史生动地再现于学生面前，为学生进入物理历史场域创造了很好的情境.

2.3物理学史拓展课程是有益补充

正像问卷调查显示的那样，由于平时教学任务和学时的限制，物理学史无法在课堂上充分展开.而在物理学史拓展课上，物理学史从知识背景变成了主体知识，使得物理历史事件的背景、详细过程、人物特征等能够充分展开，物理学家精神、科学研究的方法能够充分表现，物理历史过程中渗透的物理文化能够被学生理解和欣赏，而且还可以成为物理学科教学的有效补充.